ETAP軟件在工廠低壓大功率電動機起動校驗方面的應用分析

劉森，汪洋，李思，田哲

在工廠供配電設計時，大功率電動機起動時引起的電壓降對車間變壓器的選型和大功率電動機的起動方式選擇都有很大的影響。傳統(tǒng)大功率電動機的起動是按照《工業(yè)與民用配電手冊》中表6-16的計算公式計算校驗，但這種手工計算的計算量較大且每次設計時都要校驗結果。同時手冊中的公式僅有全壓起動、電抗器降壓起動和自耦變壓器降壓起動的公式，對目前常用的軟起動器起動并未描述，沒有可使用的公式。ETAP軟件的電動機起動模塊能自定義軟起動器的特性，我們使用該軟件搭建了一個典型電動機起動模型，通過改變電動機功率、變壓器容量等參數(shù)，得到了不同參數(shù)時的起動壓降，且形成了一個速查表，使用此表即可輕松查到符合不同設計要求的電壓降，方便快捷。

1 建模思路的理論基礎

根據(jù)《工業(yè)與民用配電手冊》及國家標準GB 50055《通用用電設備配電設計規(guī)范》，電動機起動時在配電系統(tǒng)中會引起電壓下降，這種電壓偏差將影響工廠配電系統(tǒng)的電能質量。國家標準中對這種電動機起動時在配電系統(tǒng)中引起的電壓下降規(guī)定了電壓允許值，即“電動機起動時，其端子電壓應能保證所拖動的機械要求的起動轉矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設備的工作”。這包含兩方面具體要求：

（1）電動機起動時的端電壓滿足電動機的起動轉矩。

（2）電動機所在的配電母線電壓需要滿足下列要求：

a在一般情況下，電動機頻繁起動時，不宜低于額定電壓的90%；電動機非頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%。

b配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，且電動機非頻繁起動時，不宜低于額定電壓的80%。

從實際經(jīng)驗上看，電動機自身起動的問題并不大，最重要的就是大功率電動機起動時對所在配電母線的影響是否滿足國家標準的要求。在GB 50055標準“條文說明”中可以找到類似的闡述：“僅需在電動機末段線路很長且重載起動時，才需要校驗起動轉矩；同時僅在電動機功率達到電源容量的一定比例（如20%或30%）或配電線路很長時，才需要校驗配電母線的電壓，而不必對各個系統(tǒng)的各級母線進行校驗”。但“條文說明”僅僅給出了一個經(jīng)驗限值“20%或30%”，當接近這個限值時，還是需要通過計算來校驗電壓降是否滿足要求。通過ETAP軟件可以搭建一個典型的“等效電網(wǎng)+變壓器+大功率電動機+其他等效負荷”的電動機起動模型，通過輸入不同參數(shù)，最終能夠準確得出這個臨界點。

2 ETAP軟件介紹

ETAP是由美國OTI公司開發(fā)的一款全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真計算軟件[1]。在美國，ETAP確立了電力系統(tǒng)設計和分析軟件的標準，是全美第一個特許提供給核電站進行電力系統(tǒng)分析的商用軟件[2]，目前已廣泛應用于全球工程設計咨詢行業(yè)。

對比目前國內(nèi)廣泛應用的電氣仿真計算軟件[3]，MATLAB廣泛應用在高校的理論科研中，而ETAP在面向工程應用時更有優(yōu)勢。ETAP擁有各種應用在實際工程中的設備模型庫（如ABB、施耐德、西門子等產(chǎn)品），方便用戶快捷建模；可以生成標準化的分析報告，使用戶一目了然；計算速度更快，能滿足龐大的仿真計算工作量。

3 ETAP軟件在電動機起動分析方面的應用

ETAP軟件電動機起動分析模塊功能全面，可以起動一臺電動機，也可以轉換系統(tǒng)狀態(tài)，還可以分析一組電動機的起動。同時，該模塊還提供了直觀的單線圖圖形顯示，使用戶能夠了解電動機起動過程中系統(tǒng)的參數(shù)變化。

系統(tǒng)模型一旦建立，即可便捷、高效、精確和全面地分析不同起動模式、選擇不同負載模型、設置不同起動類型、選擇不同系統(tǒng)連接方式等各種情況，根據(jù)分析結果做出正確的設計選型。

3.1 ETAP電動機起動分析模塊介紹

ETAP提供了兩種電動機起動計算方法：動態(tài)電動機加速和靜態(tài)電動機起動。在動態(tài)電動機加速計算中，以動態(tài)模型模擬發(fā)動機，用程序模擬電動機的整個加速過程。用這種方法來確定電動機是否可以采用該形式起動，電動機需要多長時間達到額定速率，以及確定電壓降對系統(tǒng)的影響。在靜態(tài)電動機起動方法中，在加速期間，用堵轉的方法起動電動機，模擬對正常運行負荷最壞的影響。這種方法適合于在不能用動態(tài)模型起動電動機的情況下檢測電動機起動對系統(tǒng)的影響。

本文主要研究大功率電動機起動時對配電母線電壓的影響，采用靜態(tài)電動機起動方法即可。

3.2 典型電動機起動模型的搭建

本文根據(jù)工廠常見的配電方案，建立了由10kV電網(wǎng)給車間變壓器供電，低壓母線上考慮一臺最大功率電動機，其他電動機和負載通過一個等效負荷模型等效，進行ETAP軟件建模仿真。

圖1 ETAP仿真系統(tǒng)圖

圖3 變壓器容量參數(shù)設置界面

如圖1所示，10kV電源的短路容量按100MVA設置（如圖2，參數(shù)可調(diào)整），10/0.4kV車間變壓器容量按630kVA設置（如圖3，參數(shù)可調(diào)整），大功率電動機按90kW設置（可調(diào)整），電動機電纜長度按100m設置（可調(diào)整），電纜截面按電動機功率選擇（可調(diào)整），等效負荷按照變壓器容量70%設置（可調(diào)整）。

在填寫大功率電動機參數(shù)時，除了需要添加銘牌頁數(shù)據(jù)外，還需要起動計算的數(shù)據(jù)。對于靜態(tài)起動，起動數(shù)據(jù)包括模型頁（如圖4所示）的起動電流倍數(shù)（LRC）和起動功率因數(shù)、負載模型頁的起動時間以及起動類型頁。

3.3 電動機起動分析

圖2 電源短路容量參數(shù)設置界面

圖4 電機模型參數(shù)設置界面

靜態(tài)電動機起動方法，假定電動機總是可以起動的。在“電動機編輯器”中設定電動機在空載和滿載情況下的加速時間，程序在這兩個值的基礎上根據(jù)負荷改寫加速時間。在加速過程中，用堵轉轉子阻抗表示電動機，它可以從系統(tǒng)中獲得最大電流，對系統(tǒng)中其他負荷運行的影響也最大。一旦加速過程結束，電動機就是一個恒定功率負荷。ETAP根據(jù)在電動機編輯器中設定的起動和最終負荷來模擬負荷的斜坡增長過程。

啟動電動機起動分析后，從單線圖（如圖5所示）中可以直觀地看到電動機起動過程中電動機端的電壓百分比87.4%和低壓配電母線的電壓百分比92.97%及瞬時的起動容量等。如果需要，ETAP軟件還可以生成電動機起動分析報告并繪出所需要的參數(shù)曲線（如母線電壓、電機電流等）。

圖5 起動壓降結果

3.4 電動機起動分析結論

針對不同變壓器容量、不同大功率電動機功率，通過使用ETAP軟件進行了大量仿真計算試驗，并將所得到的結果生成為一個速查表（如圖6所示）。仿真的情況包括了直接起動和軟起動、單傳動和雙傳動電機、功率從90kW到200kW的大電機等各種多變量的情況。從表中可以輕松查到在何種情況下大功率電動機起動會對低壓母線造成嚴重影響，超過了國家標準的要求。

圖6 電動機起動分析速查表

4 結語

通過ETAP軟件電動機起動分析模塊搭建了一個典型電動機起動模型并進行了大量的仿真計算，將得出的結果形成了一個速查表，方便選擇不同功率電動機的起動方式和變壓器容量，包括直接起動和軟啟動方式，省去了大量的手工計算工作，設計更加快速、準確、省時。該速查表在我公司項目設計時已經(jīng)被廣泛使用，極大提高了設計效率。

[1]美國OTI公司.ETAP用戶手冊7.1.0[M].Irvine.USA：Operation Technology,Incorporation,2009.

[2]馮煜理，王雷，陳陳.電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP的特性與功能簡介[J].供用電，2005，22（5）：23-26.

[3]李升.MATLAB和ETAP電力系統(tǒng)仿真比較研究[J].南京工程學院學報：自然科學版，2006，4（2）：50-55.

[4]劉森，汪洋，周瑩瑩，張柳.ETAP軟件在水泥廠短路計算及繼電保護整定的應用[J].中國水泥，2012，6：70-72.

[5]任元會主編.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.■